PCB EMI/EMC 가이드라인: 디자인에서 EMI/EMC 표준 충족하기

만약 두 대의 휴대폰을 서로 옆에 두었을 때 갑자기 둘 다 제대로 작동하지 않는다면 어떨까요? 다행히도, 이런 일이 발생하지 않도록 설계자와 제조업체들은 이러한 기기들이 전도성 및 방사성 EMI에 대한 EMC 기준을 준수하도록 심각한 노력을 기울였습니다. 어떤 기기도 시장에 출시되기 전에 EMC 기준을 준수해야 합니다.

이것이 복잡하게 들릴 수 있지만, 다음 기기가 EMC 테스트를 통과하도록 도울 수 있는 몇 가지 간단한 설계 전략이 있습니다. 다양한 EMC 기준 기관과 그들의 사양을 인지하는 것부터 시작하는 것이 좋습니다.

PCB 설계를 위한 EMC/EMI 기준

EMC 기준은 규제 기준과 산업 기준의 두 가지 큰 범주로 나뉩니다. 귀하의 설계에 대한 규제 기준은 제품을 시장에 출시하고 판매하고자 하는 위치(반드시 설계되거나 제조된 위치는 아님)에 따라 달라집니다. 가장 초기의 EMC 기준 중 일부는 1979년 미국 연방통신위원회에 의해 설정되었습니다. 유럽 공동체는 나중에 자체 EMC 기준을 정의했으며, 이는 미래의 유럽 연합 기준의 기초가 되었으며, 현재는 EMC 지침 - 유럽 의회의 전자기 호환성(EMC) 지침 2014/30/EU로 공식 명명되었습니다(유럽 기준은 여기에서 확인할 수 있습니다).

산업 표준 준수는 단지 법적 문제만이 아니라, 특정 환경 및 응용 분야에 배치된 전자 장비 간의 일관성과 상호 운용성을 보장하기 위한 산업별 문제입니다. 실질적으로, 산업 EMC 표준은 제조, 조립, 성능 등에 대한 다른 산업 표준과 같은 역할을 합니다. EMC 요구 사항을 정의하는 주요 산업 표준 기구 및 규제 기관에는 다음이 포함됩니다:

• 미국 연방 통신 위원회(FCC)
• 미국 연방 항공청(FAA)
• 언더라이터 연구소(UL)
• 미국 항공 전자 기술 위원회(RTCA)
• 국제 전기 기술 위원회(IEC), 통해 국제 특수 전파 장애 위원회(CISPR)
• 국제 표준화 기구(ISO)
• 자동차 공학회(SAE)
• 전기 전자 공학회(IEEE)
• 미국 군대를 통한 MIL-STD 표준 세트

IEC 및 CISPR 표준은 유럽에서 더 인기가 있으며, IEEE 표준은 미국에서 더 인기가 있습니다. 특히, IEEE 표준은 안테나 교정 시험의 기초를 형성합니다. MIL-STD EMC 요구 사항은 전 세계에서 가장 엄격한 표준 중 일부이며 전자 장치의 상업 부문에 적용되기 시작한 원래의 표준 중 일부였습니다.

EMC 표준 준수를 위한 광범위한 요구 사항

회사가 규정을 준수하지 않는 장치나 제품을 출시하게 되면 경고를 받거나 상당한 금액의 벌금을 물게 될 수 있습니다. EMC 요구 사항을 충족하지 못하는 것은 안전 문제를 야기하며 회사의 명성에도 손상을 줍니다. EMC를 염두에 두고 설계하면 제품이 제조 라인에서 나온 후에 민사 처벌을 받지 않도록 할 수 있습니다. 설계자들은 EMI를 두 가지 관점에서 고려함으로써 EMC 표준을 준수하기 위한 조치를 취합니다:

• EMI 내성 설계: 원치 않는 EMI로부터 장치를 보호하기 위해 설계합니다. 이는 일반적으로 적절한 스택업과 라우팅 전략으로 시작됩니다.

• 방사된 EMI 억제: 장치가 방출하는 방사를 최소화하기 위해 설계합니다. 여기서는 레이어 스택, 접지 전략, 구성 요소 배치, 그리고 가능하다면 차폐가 모두 역할을 합니다.

• 전도된 EMI 억제: 전도된 EMI는 공통 모드 또는 차동 모드 노이즈, SMPS 레귤레이터의 스위칭 노이즈, 또는 그리드로부터 받은 고조파 등 여러 형태를 취합니다.

• 빠른 전이 또는 전력 변동: 이러한 유형의 노이즈는 일련의 주입된 펄스, 간헐적인 전압 강하, 주기적인 강하, 또는 전력 스파이크로 나타납니다. 설계는 이러한 것들이 출력이나 부하에 노이즈로 나타나지 않도록 방지해야 합니다. 이러한 요구 사항은 각각 짧은 케이블이나 AC 입력이 있는 설계에 적용됩니다.

• 서지 및 ESD 억제: EMI/EMC에 대해 논의할 때 일반적으로 노이즈에 초점을 맞추지만, 서지 및 ESD에 대한 저항력도 EMC 표준을 준수하기 위한 설계의 중요한 측면입니다.

근접 필드 프로브를 사용한 방사된 EMC 측정

EMC 표준 테스트 통과 확률을 높이기 위한 몇 가지 전략

모든 설계자가 기본적인 EMC 검사를 통과하기 위해 사용해야 하는 몇 가지 기본 설계 관행이 있습니다.

스택업, 전력, 그라운딩

EMC 준수 전략은 레이어 스택으로 시작합니다. 낮은 인덕턴스 그라운드 시스템으로 보드를 설계하는 것이 EMI 민감도를 최소화하는 가장 큰 효과를 냅니다. 멀티레이어 보드의 경우, 루프 인덕턴스를 최소화하기 위해 신호 레이어 바로 아래에 그라운드 평면을 배치해야 합니다.

저레벨 신호에서의 간섭은 신호 대 잡음비를 낮춥니다. 따라서, 이러한 신호를 내부 레이어에 배선하는 것이 좋습니다. 스택에 충분한 레이어가 있다면, 이 트레이스를 두 개의 그라운드 평면 사이에 배치하고, 그 다음 가장 아래에 있는 그라운드 평면 아래에 전력 평면을 배치하세요. 전력 평면을 그라운드 평면에 가깝게 배치하면 강한 용량성 결합을 제공합니다. 전력 평면의 잡음이나 전도된 EMI는 신호와 간섭하는 대신 인근 그라운드 평면으로 쉽게 유입됩니다.

내부 레이어에서 표면 레이어로 신호를 라우팅할 때는 밀접한 결합을 유지해야 한다는 점에 주의하세요. 기준 평면과 표면 레이어 사이에 인접한 평행한 비아(via)를 배치함으로써 기준 평면에 대한 결합을 유지할 수 있습니다. 클록 라우팅과 배치와 같은 다른 EMC 문제는 문제가 될 수 있으며, 특히 다층 PCB에서 기준 평면을 변경할 때 과도한 노이즈를 생성할 수 있습니다. 가능하다면 외부 참조 오실레이터가 필요한 프로토콜을 사용하지 말고, 내장된 클록이 있는 프로토콜을 사용하려고 노력하세요. DDR과 같은 일부 프로토콜은 소스 동기식 차동 쌍 클록을 사용하는데, 이는 단일 종단 클록 연결보다 방사된 EMI가 낮습니다(차동 쌍에 관해서는 아래 참조).

차폐 Incorporating

차폐를 신중하게 사용하는 것은 또 다른 전략으로, 보드가 방사된 EMI에 대한 내성을 제공합니다. 이는 또한 보드에서 방사되는 EMI를 억제합니다. 무선 장치를 다루고 있다면, 안테나를 차폐 밖에 배치하여 여전히 신호를 송수신할 수 있습니다.

가장 간단한 해결책은 접지된 차폐를 사용하여 민감한 부품과 트레이스 주변에 파라데이 케이지를 형성하는 것입니다. 모든 설계와 부품이 이 해결책을 수용할 수 있는 것은 아닙니다. 그래서 더 정교한 차폐 방법이 필요할 수 있습니다. 보드 내부에 균일한 접지면을 사용하고(어차피 이렇게 해야 합니다), 보드 가장자리 주변에 접지된 비아 펜스와 구리 푸어 영역에 비아 스티칭을 사용하면 비슷한 보호를 제공할 수 있습니다.

차폐는 방사된 EMI를 억제하기 위해 사용될 수 있습니다

차폐 캔은 아마도 모두가 생각하는 가장 일반적인 차폐 형태일 것이지만, EMI를 대응하기 위해 사용될 수 있는 유일한 차폐 유형은 아닙니다. 광대역 EMI 억제를 제공할 수 있는 다른 독특한 차폐 재료에는:

• RF 방출을 흡수하는 전도성 폼 또는 탄성체 가스켓 재료
• 케이스에 장착할 수 있는 와이어 메쉬 재료
• 접합면이나 보드의 일부 위치에 사용할 수 있는 금속 테이프
• 문제가 되는 주파수 대역에서 흡수하는 컨포멀 코팅케이스나 케이블 어셈블리에 직접 부착할 수 있는 페라이트
• 이러한 다른 유형의 차폐는 PCB에서 사용되는 다른 솔루션이 실패했을 때 보드나 케이스에 구현될 수 있습니다. 개인적으로, 나는 차폐 캔과 이러한 다른 재료들이 보드 수준의 해결책을 모두 시도한 후에만 사용되기를 권장합니다.

   

  혼합 신호 레이아웃 및 라우팅

  일부 장치는 디지털 데이터를 조작하고 아날로그 신호를 지원해야 할 수 있으며, 이로 인해 본질적으로 혼합 신호 장치가 됩니다. 디지털, 저주파 아날로그, RF 아날로그 섹션을 PCB 레이아웃의 다른 영역으로 분리하는 것이 좋습니다. 이러한 섹션이 접지층에서 자체 전용 영역을 갖는 것이 항상 좋지만, 접지층은 연속적으로 유지되어야 합니다. 이는 보드 주변의 반환 경로를 추적하는 것이 여기서의 도전이라는 것을 의미합니다. 목표는 두 가지입니다: 다른 보드 섹션 간의 간섭을 방지하면서도 인접한 층에서 접지 위로 신호를 라우팅함으로써 거대한 루프 인덕턴스를 갖지 않도록 하는 것입니다. 혼합 신호 접지 전략에 대해 자세히 알아보려면, 이 기사를 읽어보세요.

  전원 버스의 바이패스/디커플링 커패시터

  마지막으로, 전력 버스 노이즈가 EMI를 생성하여 보드 가장자리에서 방사될 수 있다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 이는 적절한 스택업 디자인, 바이패스/디커플링 커패시터 배치, 그리고 참조/전력 평면 쌍 배치를 요구합니다. 많은 I/O를 가진 고급 디지털 시스템에서 전력 버스의 노이즈 감소는 전력 무결성 문제만큼이나 EMI/EMC 문제이므로, 이러한 문제를 다루기 위해 전력 무결성의 기초를 이해하는 데 집중하세요.

  PCB 디자인을 위한 EMI/EMC 표준에 맞춰 설계하는 것은 보드 수준 솔루션을 구현하기 위한 올바른 레이아웃 도구를 필요로 합니다. Altium Designer^®는 규정 준수 레이아웃을 생성하거나 필요에 따라 재작업을 수행할 수 있는 모든 것을 제공합니다. Altium Designer는 SI, PI, EMI/EMC 시뮬레이션을 위한 최첨단 애플리케이션과 통합을 제공하는 업계 선도 CAD 플랫폼입니다. 디자인을 마치고 제조업체에 파일을 릴리스하고 싶을 때, Altium 365^™ 플랫폼은 프로젝트를 협업하고 공유하기 쉽게 만듭니다.

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